一文详解工业相机和镜头选取  
作者：Atlas|系「3D 视觉从入门到精通」知识星球特邀嘉宾  
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1 什么是工业相机  
2 工业相机与单反相机的区别  
3 工业相机的接口  
3.1 镜头接口  
1
2
3
4
）C、CS 接口  
）M 系列  
）卡扣系列  
）常见镜头接口参数  
3.2 数据+电源 接口  
04 镜头参数  
4.1 焦距  
1
2
3
4
）物理焦距  
）摄影焦距  
）调焦原因  
）焦距小结  
4
4
4
.2 景深  
.3 光圈  
.4 常见镜头标识  
05 相机参数  
06 相机和镜头挑选  
07 附录  
参考链接  
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[1]工业相机与单反相机的区别 <知乎，微光启明，国防科技大学，工学博士>：  
https://zhuanlan.zhihu.com/p/95829433  
[2]工业相机镜头接口类型 <知乎，微光启明，国防科技大学，工学博士>：  
https://zhuanlan.zhihu.com/p/100984490  
[3]工业相机数据接口标准 <电子发烧友，judyzhong>：  
http://www.elecfans.com/dianzichangshi/20171117581055.html  
[4]工业相机和镜头主要参数 <CSDN，非凡初来乍到>：  
https://blog.csdn.net/qq_38241538/article/details/84106969  
[5]相机镜头工作原理图解<Paincker，学习思考>：https://www.paincker.com/how-the-lens-  
works  
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1 什么是工业相机  
刚入门 3D 视觉，第一次接触到工业相机的时候，对，一般来说工业相机长这个样  
子：  
图 1 常见工业相机外观  
一问价格，至少都是大几千，贵的在十几万，心里就不禁有疑问，就这么一个破相  
机，为啥就卖这么贵？它跟我们常见的单反相机有什么区别？我用单反相机来拍，  
色彩又好，成像又清晰，它不香吗？为啥一定要用工业相机？  
图 2 常见单反相机外观  
咋一看，单反相机块头这么大、工业相机块头这么小，工业相机明显在坑人啊！诚  
然，由于工业相机需求量和产量的缘故，工业相机的研发、制造总成本会远远高过  
消费级单反相机，这也是它价格更为昂贵的原因，但我们这里一定要明白一个概  
念：  
工业相机，不能简单地理解为工业上用的相机，它是有特殊用途的一类相  
 
机统称。  
特殊用途：什么叫特殊用途，比如说我们 3D 重建算法，对相机的畸变要求尽量  
小，在某些恶劣场合，需要用到 IP67 级防水相机、拍摄原子弹爆炸前几微秒内原  
子弹内部的场景，这类专门的相机可以称为高速相机，这些相机都可以称为工业相  
机。而相反的，你认为工厂里监控摄像头，尽管它部署在工厂里的每个角落，但你  
能认为它是工业相机吗？  
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2 工业相机与单反相机的区别  
事实上，工业相机相比较一般的单反相机，区别还是很大的，概括下来大致有以下  
个方面：  
4
1.  
配备专门软件开发工具包（Software Development Kit，SDK ）， 我们可以通过代码设置包  
括：曝光时间、触发方式、图像分辨率、成像帧率等等一系列相机参数（下面是某款相  
机 SDK 的图像界面）。  
图 3 FlyCapture SDK 采集图像界面  
2
.
.
成像精准：一般来说，工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通传感器是隔行扫描  
的，前者生产工艺更为复杂，成品率低、出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类  
产品。此外，工业相机的畸变、色彩还原准确度往往更好，而单反相机追求的是要拍的  
好看。  
3
稳定性和可靠性：工业相机的性能稳定可靠、易于安装，结构紧凑结实不易损坏，连续  
工作时间长，可在较差的环境下工作，这是单反相机做不到的。  
 
例如一些工业相机被安装在工业检测生产线上，负责产品的视觉测量、缺陷筛查等工作，这  
就要求相机在流水线常年连续运转过程中保证不出故障，否则会导致生产线停摆甚至瘫痪，  
这对企业来说意味着难以挽回的经济损失。  
4.  
特殊用途  
–
–
–
严苛场景：比如某些在航空上用的相机，其工作温度范围就要求：-40℃~85℃；  
成像速度：拍摄汽车碰撞、原子弹爆炸的高速相机；  
光谱范围：比如测量钢炉内铁水温度的红外相机；  
除此之外，工业相机一般来是黑白的，主要是为了保证曝光充足、成像准确。至于  
价格，我认为不是区分工业相机和单反相机主要的因素，还是得看具体相机的型  
号，消费级市场也有大十几万的设备。  
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3 工业相机的接口  
工业相机的接口主要有三种类型：  
[2]  
图 4 工业相机的接口  
•
•
•
镜头接口：固定相机跟镜头，也称为卡口；  
数据接口（控制 ）： 传输拍摄到的相机数据（控制相机 ）；  
电源接口（控制 ）： 提供相机电源（控制相机 ）；  
有时候，数据口和电源口也会放一起，某个接口既能提供数据传输又能提供相机电  
源，随着时代的变化，这类即插即用的工业相机越来越普遍。  
这里所谓的即插即用，并不是说插上去就能用，而是在安装相应的驱动后，我们通过 SDK 可以进行  
调用，区别与某些接口相机需要自己去写底层驱动以及相应图像处理算法。  
3
.1 镜头接口  
通常来说，我们买到的工业相机是不带镜头的，就像下面这样：  
 
 
图 5 不带镜头的工业相机  
常见的工业相机镜头接口包括：C、CS、M42、M50、F、V、T2 等等，接口类型的  
不同和工业相机镜头性能、质量并无直接关系，仅仅是接口方式不一样，一般来  
说，我们也能找到各种常用接口之间的转接口。下面简要地介绍下这些接口。  
最简单的，你记住什么相机接口对什么相机镜头即可。  
1
）C、CS 接口  
相机镜头的 C、CS 接口非常相似，它们的接口直径、螺纹间距都是一样的，仅仅  
是法兰距不同。C 接口的法兰距是 17.5mm，CS 接口的法兰距是 12.5mm。因此对  
于 CS 接口的相机，如果想要接入 C 接口的镜头，只需要一个 5mm 厚的 CS-C 转  
换环即可。两个接口与转换环的实物如下所示：  
[
2]  
图 6 工业相机 C 接口和 CS 接口实物（图中 CS 接口相机已转接为 C 接口）  
法兰距：也叫做像场定位距离，是指机身上镜头卡口平面与机身曝光窗平  
面之间的距离，即镜头卡口到感光元件（一般是 CMOS 或 CCD）之间的距  
 
离。注意，法兰距不同，即便装上也无法清晰对焦和成像。  
2
）M 系列  
M12 接口，这个接口对应的数字 12，指的是接口直径是 12mm。由于直径较小，  
这类接口往往用在微小工业相机上，如无人机上搭载的相机一般用的这类镜头，如  
下所示：  
（
1）M12  
（2）M42  
图 7 M 系列接口  
（3）M58  
[2]  
而 M42、M58 接口更大，往往用在大靶面的工业相机、甚至线扫相机上。这类接  
口直接通过螺纹连接到相机上，连接较为方便。  
3
）卡扣系列  
对于卡扣系列，主要有两种：佳能的 EF 接口和尼康的 F 口，这个接口也在它们家  
单反中使用，两者的差别在于法兰距不同，F 口的法兰距大于 EF 口，在工业相机  
领域，尼康的 F 接口也更为常见一点。实例如下：  
（
1）EF 接口（佳能）  
（2）F 接口（尼康）  
[2]  
图 8 卡扣系列接口  
 
 
4
）常见镜头接口参数  
当然还有其他接口，包括老式的 PK 口、施耐德 V 口、以及其它各种接口等，这些  
用的倒不多，就不一一介绍了。其实记住一句话，什么相机口对什么镜头口即可  
了，但这里还是给出常见的镜头接口参数，以便大家参阅：  
[2]  
表 1 常见镜头接口参数  
3
.2 数据+电源 接口  
常见的数据、电源接口包括 USB、CoaxPress、CameraLink、Gige 接口等，如下所  
示：  
[
3]  
图 9 常见数据+电源 接口  
它们的性能指标对比如下：  
 
 
[
3]  
表 2 常见数据+电源接口对比  
简要地解释一下：  
•
USB2.0、3.0 系列：这类接口的好处是即插即用（虽然这里说是即插即用，但一般工业相  
机都还是要安装驱动以及相应的 SDK 才能调用的 ）， 3.0 的速度达到了 5.0GB，但问题是  
传输的线路太短，不太适合长距离、大批量工业相机的应用场景（这在大多数化工企业  
中是这样，相机安装在工厂的各个角落，处理放在主控室）。  
•
•
IEEE1394：Apple 公司推出的标准，传输速度介于 USB2.0~3.0 之间（还是比较慢的 ）， 传  
输距离达到了 100m，但是其需要额外的转接头，因此应用也不多。  
GIGE：也就是常说的网口相机，传输速度虽然不高（一般来说也够用了 ）， 但是传输距离  
远，集成方便，配合上千兆路由器，可以实现大规模的工业相机集成，目前工业应用上  
最为广泛，较为高端的工业相机也大多采用这种配置，唯一的缺点是需要额外的电源供  
电。  
•
Cameralink：一种专门的工业级视觉产品使用行业标准，传输速度可以达到 5.44Gbit/s，  
往往用在之前的一些高速相机上(因为之前 USB2.0、GIGE 这些接口都太慢了)，但缺点是  
需要额外的图像采集卡、价格贵（一条线缆 1000 ）、 而且不好用，要自己去写相机驱  
动，并且不支持热插拔（会损坏相机！）。  
原因：使用这类接口的相机在物理上被硬生生地拆为两部分，相机的厂商只负责相机的制  
造，而相应的驱动、软件，比如说图像的采集、处理等算法都需要你自己对 CameraLink 采集  
卡进行编程。  
•
CiaXPress：速度快、传输距离远，独立供电、价格也便宜，推出来用以取代 Cameralink  
接口。这类相机需要额外的接口卡，注意，这里是接口卡！接口卡不同于采集卡，其只  
是相机采集到的数据的一个中转站，不会对数据做任何处理，其直接将数据存储在主寄  
存器中。  
因为这类相机传输速度较快，如果将拷贝数据的工作交给 CPU 来做的话，CPU 将会消耗大量  
资源.  
需要说明的是，我们选取工业相机型号的时候，接口并不是传输速度越好越好，而  
是要挑合适的，杀鸡焉用牛刀？那怎么选型呢？我们下一节说！  
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4
4 镜头参数  
.1 焦距  
1
）物理焦距  
对于单片凸透镜来说，焦距通常指平行光线经凸透镜汇聚后一点到透镜中心的这段  
距离，如下所示。通常，这个距离在制造完成后就不可变的，也就是说一块凸透镜  
的焦距是不会发生变化的。  
图 10 单片凸透镜的物理焦距  
但现代镜头通常由多片薄透镜组成，如图 11 所示:  
[
5]  
图 11 现代相机镜头构成  
它们之间的的相对距离可以发生变化，因而物理焦距也可以随之发生变化，这类镜  
头称为变焦镜头，反之不能发生变化的是定焦镜头。  
2
）摄影焦距  
市面上大多数镜头都是定焦镜头，但是我们常说调焦又是怎么回事呢？不  
是说定焦镜头吗？定焦怎么能调焦呢？  
 
 
 
 
事实上，这里我们所说的调焦，或者说对焦，其实并不说改变镜头的物理焦距，而  
是改变像距，即调整成像面和镜头的距离，使得 CCD 上能够清晰成像，这段距离  
也称为摄影焦距，简称焦距，如下所示：  
[
4]  
图 12 镜头的摄影焦距  
3
）调焦原因  
为什么要去调整摄影焦距呢？  
我们来看下面这个模型：  
图 13 相机清晰成像对焦情况  
对于小人头部的 A 点，其从头部发出三个方向的光线，经过镜头汇聚后，汇聚于  
成像面的 A’点。那么对于 A 点发出其它方向的光线呢？它们也会汇聚于 A 点，因  
为镜头的形状是经过专门设计的。  
这里有两点特殊：  
•
同一点发出的各个方向的光线，经过镜头后必定汇聚于同一点；  
 
•
同一平面上的不同点发出的光线，经过镜头后，汇聚于不同点；  
对于这个模型，这里可以看出，如果相机镜头跟成像面的距离，也就是焦距不对，  
那么必然要进行调焦。在实际情况中，在大多数相机中，CCD 是固定不动的，我  
们通过移动整个镜头离成像面的距离来完成对焦（镜头的物理焦距依然没有发生改  
变，这也是定焦镜头可以调焦的原理）。  
为什么改变物体距相机的距离后，我们要重新进行调焦？  
原因如下：即使是同一个高度点，在不同距离上，摄影焦距也是不一样的，因而需  
要调焦，示意图如下，A1、A2 的摄影焦距显然不一样：  
图 14 不同成像距离，摄影距离不同，因而需要调焦  
有人又问了，如果发生发生下面这个场景，图像不会混叠吗？A1、A3 好像成像在  
同一点上，首先 A3 是可以清晰成像的，A1 显然不行。  
图 15 不同距离、高度下光路混叠现象  
其次，从理论上讲，A1、A3 在 CCD 上就是呈现为同一点，那怎么区分 A1、A3 点  
呢？拜托，动下脑子，如果有 A3 点，你能看到 A1 点吗？  
需要提的一点是，在之后的模型推导中，我们会将整个相机模型简化为小孔成像模  
型，就像下图这样，这并不会影响我们之后公式推导的准确性。  
图 16 简化的相机小孔成像模型  
对于上面的理解，这里只要求你大致了解，知道为什么需要调焦就好，因为传统的相机光学真的是  
门非常复杂、高深的学问，可以讲好久，在这里我跟你讲的还是化简后的相机模型。  
简单说，焦距有两种，镜头的物理焦距和摄影焦距，物理焦距一般出厂后  
就固定了，我们调整的是摄影焦距，恰当的摄影焦距才能使图像清晰成  
像。  
4
.2 景深  
前面有个问题，我们知道头顶平面可以清晰成像，那么鼻子的位置就不能  
清晰成像了吗？  
事实上，我们所谓的清晰是一个相对的概念，人眼的分辨能力有限，只要该区域足  
够小，我们就认为它是清楚的。模型如下所示：  
图 17 景深：相机在一段范围内都可以认为是清晰成像的  
在 푏 平面前后一定距离范围内，从 a 到 c，我们可以认为成像都是清晰的，这一  
深度范围称为景深。焦点附近，也就是在景深范围内清晰，而前后方景物都比较模  
糊，实际的图像如下：  
 
图 18 景深范围内清晰，范围外模糊  
4
.3 光圈  
光圈大小是用 f 值来刻画的，意思是开了几分之几，影响镜头的进光量。光圈值  
为 f/2.0，意思是开了 1/2，常见的光圈值如下所示：  
图 19 镜头光圈大小  
光圈的大小除了影响进光量外，也会影响景深，简单说：光圈越大，景深越小。  
图 20 光圈影响景深原理图  
较大的光圈意味着更大的进光量，有利于弱光环境下拍摄，一般来说，镜头越亮约  
好，但是大光圈镜头也意味着景深不够。  
 
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.4 常见镜头标识  
关于工业相机中常见的镜头标识大致如下：  
图 21 镜头常见标识  
还有一些镜头标识，当你看到了不认识，请百度一下！因为有时候我也会不认识上  
面的标志。  
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5 相机参数  
关于相机的参数就简单多了，下面简要叙述：  
•
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•
分辨率  
相机每次采集图像水平和竖直方向的像素点数，对应于 CCD 水平和竖直方向排列的感光  
元的个数，常见的分辨率有：1920 × 1080。  
像元大小  
单个像素的物理尺寸大小，一般来说，像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不  
容易提高。目前工业数字相机像元尺寸一般为 3~4 휇푚。  
靶面尺寸  
 
 
通常厂家会告诉你实际 CCD 的靶面尺寸，其并不完全等于分辨率 × 像元大小，常见的  
相机靶面尺寸查询：http://shixinhua.com/camera/2012/06/7.html。  
像元大小和像元数（分辨率）两者共同决定相机靶面的大小，是此消彼长的关系，所以我们  
选择相机的时候也并不是分辨率越高越好，而是挑选合适的分辨率。  
•
像素深度  
每个像素的位数，含义如下，比如说一副灰色图像的像素深度为 8 bit，那么意味着它有  
2ꢀ  
= 256 级灰度（对于三通道的彩色图像来说，意味着2 × 2 × 2 = 2 种颜色 ）。 常  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢁ4  
见的像素深度有 8、10、12 bit。像素深度过浅，会使图像看起来不自然。而增加像素深  
度可以增加测量的准确性，但是也会降低系统的速度，并且提高系统集成的难度。  
知道了像素深度概念，你就能明白为什么大多数工业相机都是黑白相机了吧？  
•
最大帧率/行频  
相机采集和传输图像的速度，一般来说有两种类型相机：  
–
–
面阵相机：每秒采集的帧数（Frames/Sec）；  
线阵相机：每秒采集的行数（HZ）；  
•
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曝光方式  
–
–
线阵相机：逐行曝光，有固定行频和外触发同步形式；  
面阵相机：帧曝光、场曝光、滚动曝光等形式，也提供外触发同步形式；  
所谓外触发同步，指的是外部给一个信号，相机即开始拍摄图像。  
曝光时间  
也称为快门速度，指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片  
上留下影像。曝光时间 × 快门速度共同决定了曝光量。曝光时间不能设置太长，其会增  
加照片的底噪，也不能设置太短，会导致曝光不足，要看需要而定：在暗光条件下，比  
如说拍星星，曝光时间就要设置几个小时。而在亮光情况下，拍摄运动的汽车，曝光时  
间就不能设置太长，否则会行成残影。  
•
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光谱响应特性  
指传感器对不同光波的敏感特性，一般来说，响应范围都在 350nm~1000nm 间。有的相  
机在靶面前面会增加一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要多红外光感应，可以去除该  
滤镜。  
信噪比  
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值，代表了图像的质量，图像信噪比越高，  
相机性能和图像质量越好。  
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6 相机和镜头选取  
下面这些参数，主要用在相机、镜头选取的计算中：  
•
•
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工作距离（Working distance, WD ）： 镜头最外端到被测物体距离。  
视场范围（Field of View, FV ）： 实际拍摄到区域尺寸。  
视场角（Angle of View, FOV ）： 影响理论视场范围。  
图 22 视场角和视场范围关系  
视场角  
视场范围 = 2tan (  
) × 工作距离  
2
•
光学放大倍数（Magnification, B ）： 芯片尺寸除以视野范围；  
 
图 23 光学放大倍数  
下面我们来讲一些主要参数的选取：  
1.  
相机  
–
CCD or CMOS  
CCD 提供更好的图像质量、抗噪能力，CMOS 体积更小，但噪声会更多一点。  
当然，这不是绝对的，还是钱决定的。  
–
–
CCD 尺寸  
有钱的话，尽量买大一点的。  
合适的分辨率  
对于视野范围为 300 × 300 푚푚，要求测量精度为 0.2 푚푚，那么横/竖放下的分  
辨率至少为300/0.2 = 1500 像素，通过我们不会用一个像素对应一个测量精  
度，一般选择倍数为 4、甚至更高，这样相机单方向的分辨率为 6000，相机的  
分辨率：6000 × 6000 = 3600 万。  
这也是为什么结构光系统视野范围大则测量精度低的原因。  
足够的相机帧率  
–
当被测物体有运动要求，相机的帧率不能太低，对于一些高速运动的物体，可以  
选择  
2.  
镜头  
–
镜头接口：  
跟相机接口匹配，也可以外加转换口后匹配，并且镜头可支持的最大 CCD 尺寸应  
大于选配相机 CCD 尺寸大小。  
–
镜头焦距  
根据相机 CCD 尺寸、工作距离、视场大小（物体的高/宽）计算所需镜头的焦  
距，如下：  
图 24 根据 CCD 尺寸、工作距离、视场大小计算所需的镜头焦距  
镜头光圈范围  
–
光圈大小决定图像亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应选用  
大光圈镜头以提高图像亮度。  
0
7 附录  
1.  
FlyCapture2 工业相机使用说明书  
链接：https://pan.baidu.com/s/1Viq36d3HAnVASyb8LPQxDg  
提取码：53sa  
2.  
图像传感器报告摘要  
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/137375626